Superpave旋轉壓實儀的控制設計及穩壓控制策略研究

羅家浩　邵秋萍　徐逸飛　盧正新　孫旭杰

摘要：論文針對Superpave旋轉壓實儀設備，進行了控制系統的開發與設計。為了更好地實現旋轉壓實儀的穩壓控制，論文主要介紹了模糊控制的方法。通過研究分析，可知模糊控制的響應速度較快并且精度更高。

關鍵詞：旋轉壓實儀;壓力控制;Superpave;模糊控制

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0012-02

0 引言

為了能在實驗室中模擬瀝青路面所受作用力的實際情況，通過結合SHRP研究成果，誕生了Superpave旋轉壓實儀（Superpave Gyratory Compactor，SGC），使用這種設備成型出來的試件符合實際工程中的瀝青混合料成型方式。通常情況下，SGC一般由旋擺機構和壓實機構兩部分組成。在壓實的過程中，旋擺機構做勻速運動，較為簡單;壓實機構的速度需要根據實際情況發生變化，是一種非線性的復雜系統。

1 旋轉壓實儀的控制方案

根據旋轉壓實儀的控制要求可知，該設備的控制對象應涵蓋旋擺機構的搓揉運動、壓力信號的采集、壓力機構的升降運動、鍵盤輸入、角度檢測以及顯示部分。根據這些內容，可以將控制系統分為控制中心部分、信息輸入部分、信息輸出部分和信息反饋部分。

控制中心部分是整個控制系統的核心，主要功能是對信息輸入部分的信號進行處理，并將控制信號輸出到信號輸出部分;信息輸入部分主要由壓力輸入和鍵盤輸入兩個獨立部分組成;信息輸出部分主要由顯示部分、驅動信號輸出部分、蜂鳴器部分和提示燈組成;信息反饋部分主要由傳感器組成。

對于旋轉壓實儀的控制系統，最重要的就是實現利用壓力傳感器對壓力的實時測量、監測和反饋控制。

2 壓實儀壓力控制原理

在旋轉壓實儀設備運行的過程中，壓力的產生是一個復雜的過程。如圖1所示，步進電機7在接收到控制中心的脈沖信號之后，產生角位移。根據脈沖信號的時間變化，齒形帶8的速度也將發生改變。齒形帶產生的圓周速度會經過滾珠絲杠6轉變為直線位移變化。最后，由變化的模具高度對試樣的產生壓力進行壓實。為了使速度變化更加趨于平穩，可以在滾珠絲杠末端增加壓簧器件9。

在壓實過程中，試樣所受到的壓力主要取決于步進電機的速度。步進電機的速度是由控制中心發出的脈沖信號頻率決定的，脈沖信號頻率越高，則壓實速度越快，試樣所受到的壓力也就越大。當壓力過大時，電機應當停轉或者反轉從而減小壓力。但是，由于電機具有慣性，無法完成立即停止的操作。

3 壓實儀穩壓控制策略

在旋轉壓實儀的運行中，壓力大小不僅僅取決于驅動電機的輸出，還與旋擺角有關。在設備運行初期，旋擺角發生變化較大，壓實力的大小也會受到影響，我們可以根據實驗過程中試樣高度的變化值來判斷壓力的波動大小。

在設備運行的前10圈中，壓力變化幅度較大;在設備運行的前30圈中，壓力變化幅度仍然較高。因此在設備運行前期，旋轉壓實儀所做的壓實運動是無效的，并不符合Superpave瀝青路面技術規范，所以必須控制好設備前30圈中的壓力電機的運動幅度。

在有豐富的壓實儀控制經驗的條件下，可以采用模糊控制的方法使壓實儀的動態控制性能更佳，響應速度也更加快速。在旋轉壓實儀中，為了達到一定的控制精度并且防止控制算法過于復雜，我們選擇二維模糊控制器。

由于旋轉壓實儀壓實的壓強要求為600±10 kPa，所以可知系統誤差論域應該為-10～+10。將誤差E和誤差變化率均分為8個等級，則系統的模糊詞集為負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、負零（NZ）、正零（PZ）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。旋轉壓實儀的輸入為脈沖信號的頻率f，輸出量為壓強P，建立模糊控制表如表1所示。

根據模糊控制表則可以很好的預判發生壓力的變化，從而實現對壓力的穩定控制。

4 結語

Superpave旋轉壓實儀最重要的控制對象就是對壓力進行控制，所以只要壓力能夠穩定在600kPa，試樣成型之后所得到的參數就能更加符合實際。雖然目前旋轉壓實儀最廣泛使用的控制方法仍然是PID控制，但更加先進的控制方法則是模糊控制。一般情況下，采用模糊控制的壓實儀實時控制系統壓力更加穩定，響應速度也更快。

參考文獻

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Control Design of Superpave Gyratory Compactor and Study of Pressure Stabilization Control Strategy

LUO Jia-hao，SHAO Qiu-ping，XU Yi-fei，LU Zheng-xin，SUN Xu-jie

（Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu? 211167）

Abstract：The control system of Superpave gyratory compactor is developed and designed in this paper. In order to realize the stabilization control of gyratory compactor better， this paper mainly introduces the method of fuzzy control. Through research and analysis， it can be seen that the response speed of the fuzzy control is faster and the precision is higher.

Key words：gyratory compactor; pressure control; Superpave; fuzzy control